近日，中国科学技术大学徐铜文、杨正金课题组在用于渗透转能的离子膜构筑方面取得突破进展，报道了一种磺化的超微孔聚氧乙烯基(SPX)膜，膜内的亲水微孔实现了极高的离子选择性，从而提高渗透转能效率，并将这一概念扩展到其他种类的含盐溶液中，例如工业废水。该研究成果以题为“Sulfonated ultramicroporous membrane with selective ion transport enables osmotic energy extraction from multiform salt solutions with exceptional efficiency”发表在国际著名期刊Energy & Environmental Science杂志上（DOI: 10.1039/D2EE00851C）。

存在于河水与海水之间的渗透压差是一种极具潜力的可再生能源。目前基于膜的反电渗析技术（RED）引起了广泛的研究兴趣。然而，该领域仍存在两个主要挑战。第一个问题是缺乏能同时实现高功率密度和高转换效率的膜材料。虽然之前的工作已经显示出基于纳米孔的离子交换膜可以大幅度提高渗透发电的功率密度，但其能量转换效率依然非常有限(目前功率密度>1 W m^-2，效率大多为˂30%，而理论能量收集效率为50%)。第二个挑战是渗透能提取的概念仅限于海水和河水的盐度差异，从工业废水等替代水源中提取能源的研究很少。因此，亟需开发出不受复杂盐组成、溶液pH值、温度变化等影响的能量提取体系，实现从各种工业废水中获取渗透能的目标。

基于上述两大挑战，团队设计并制备了一种磺化的超微孔聚合物膜SPX，用于提取储存在不同浓度溶液中的渗透能 (图1A,1B)。SPX膜具有大小为5 - 9 Å的亲水微孔，表现出明显的表面电荷控制的离子传输和优异的阳离子选择性。在模拟海水和河水混合的50倍浓度梯度下，实现了0.62 W m^-2的功率密度，能量转换效率保持在38.5%以上 (图1C)。通过利用热梯度和浓度梯度的协同作用，其性能进一步提高，分别达到1.23 W m^-2和48.7% (非常接近理论极限50%) (图1D)。这是目前为止在50倍NaCl梯度下报道的最高效率。同时揭示了亚纳米通道内的尺寸筛分效应，该效应使SPX膜可从等摩尔浓度的混合溶液中提取吉布斯自由能，实现一个全新概念的能量转换体系。在0.5 M HCl/0.5 M LiCl条件下，功率输出达0.55 W m^-2 (图1E)。它将浓差发电的概念扩展到扩散发电，未来或许可用于从工业废水中提取能量。这项工作对未来自具微孔材料的应用以及先进的渗透转能膜设计同样具有一定的启示意义。

图1. 基于磺化的超微孔聚合物膜的渗透发电装置示意

中国科学技术大学朱晴博士为第一作者，杨正金教授和徐铜文教授为共同通讯作者。该研究工作得到国家自然科学基金(Nos. 21922510、21878281、U20A20127)和中科院大连洁净能源国家实验室合作基金（DNL201910）的支持。

文章链接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2022/ee/d2ee00851c.